JP2004335336A

JP2004335336A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2004335336A
Application number: JP2003131278A
Authority: JP
Inventors: Sadao Miki; 貞雄三木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】単セルの内側に位置する電気反応部および、同外側に位置するシール部に対するそれぞれの面圧力を、最適なものとする。
【解決手段】単セル１をセパレータ５７を介して積層したセル列３を、シリンダ７内に納める。セル列３の一方の端部を固定エンドプレート９に当接させ、他方の端部を可動エンドプレート５に当接させる。可動エンドプレート５は、単セル１の内側に位置する電気反応部３１に対応する内側部１７と、同外側に位置するシール部３３に対応する外側部１９とに分割する。外側部１９はシリンダ７に対して積層方向に移動可能であり、内側部１７と外側部１９とは積層方向に相対移動可能である。内側部１７および外側部１９に対しては、それぞれ個別のばね要素となる内側スプリング２５および外側スプリング２７によって押し付ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内側に電気反応部、外側にシール部をそれぞれ備えたプレート状の単セルを複数積層し、この積層した複数の単セルを、積層方向端部に配置したエンドプレートによって押さえ付ける燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、複数積層した単セルの両端をエンドプレートで押さえ付けることにより、各単セルに対し面圧の発生を促し、単セル毎のシール性を保証する燃料電池スタックが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−５６８８２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の燃料電池スタックでは、単セルの外側に位置するシール部でのシール性確保のための面圧を所定に維持するために、エンドプレートによる押付力を高く設定すると、単セル内側の電気反応部で、空孔を介してガス拡散を行っているガス拡散層電極が、その面圧力によって潰れ、本来のガス拡散性能が発揮できなくなり、電池性能の低下を招く。
【０００５】
逆に、ガス拡散層電極側の許容面圧に基づいてエンドプレートの押付力を設定すると、シール部での面圧が低くなり、このシール部を通して燃料あるいは酸化剤ガスが漏れるという問題がある。
【０００６】
単セルにおける電気反応部では、電気化学反応に伴って反応熱を発生するが、そのために、同一単セル内でも内側の電気反応部と外側のシール部とでは温度差が発生する。この結果、単セルの内側は熱膨張大、同外側では熱膨張小となる。この状態で、上記と同様にしてエンドプレートによる押付力を付与すると、上記の問題はさらに助長され、面圧力を外側に比べて低く設定したい内側の電気反応部はさらに高い面圧を受けることになる。
【０００７】
これらの問題を解決するために、外側のシール部のみエンドプレートで押さえ、内側の電気反応部を押さえない構造にしようとすると、各単セル間の接触面圧小に起因する電気抵抗値増加を招き、燃料電池としての出力減という問題を招く。
【０００８】
そこで、この発明は、単セルの内側に位置する電気反応部および、同外側に位置するシール部に対するそれぞれの面圧力を、最適なものとすることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、内側に電気反応部、外側にシール部をそれぞれ備えたプレート状の単セルを複数積層し、この積層した複数の単セルを、積層方向端部に配置したエンドプレートによって押さえ付ける燃料電池スタックにおいて、前記積層した複数の単セルを、前記積層方向の一方の端部に設けたエンドプレートとともにその外周を覆うシリンダ内に納め、前記一方の端部に設けたエンドプレートを、内側部と外側部とに分割してこれらが前記積層方向に沿って移動可能かつ相対移動可能となるよう配置し、前記シリンダ内端面と、前記エンドプレートの内側部および外側部のそれぞれとの間に、個別のばね要素を設けて前記エンドプレートの内側部および外側部を介して前記積層した複数の単セルを押さえ付ける構造としてある。
【００１０】
【発明の効果】
この発明によれば、複数積層した単セルおよびエンドプレートを収容するシリンダ内端面と、エンドプレートの内側部および外側部のそれぞれとの間に、個別のばね要素を設けてエンドプレートの内側部および外側部を介して前記積層した複数の単セルを押さえ付ける構造としたので、単セルの内側に位置する電気反応部および、同外側に位置するシール部に対するそれぞれの面圧力を、最適なものとすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１２】
図１は、この発明の実施の一形態を示す燃料電池スタックの断面図である。この燃料電池スタックは、単セル１を複数積層したセル列３を、一方の端部に可動エンドプレート５を備えてこの可動エンドプレート５とともに、その外周を覆うシリンダ７内に収容してある。可動エンドプレート５は、シリンダ７に対して単セル１の積層方向に移動可能である。
【００１３】
セル列３の可動エンドプレート５と反対側の端部には、固定エンドプレート９を備え、固定エンドプレート９は、シリンダ７のフランジ７ａにボルト１１により固定する。
【００１４】
シリンダ７における可動エンドプレート５側の一方の開口端は、スプリングリテーナ１３によって閉止し、このスプリングリテーナ１３は、シリンダ７のフランジ７ｂにボルト１５によって固定する。
【００１５】
可動エンドプレート５は、内側部１７と外側部１９とに２分割してあり、外側部１９は矩形の枠状に形成してその内部に内側部１７を、単セル１の積層方向に沿って相対移動可能に挿入する。また、内側部１７と外側部１９との間および、外側部１９とシリンダ７の内周面との間は、それぞれＯリング２１および２３によってシールしている。
【００１６】
そして、内側部１７とスプリングリテーナ１３に形成したシリンダ内端面となる凹部１３ａとの間および、外側部１９と凹部１３ａとの間には、それぞれ個別のばね要素となる内側スプリング２５および外側スプリング２７を介装する。
【００１７】
図２は、単セル１における水素ガス供給側のガス流路形状を示す模式的な平面図であり、この単セル１は、内側に電気反応部３１、外側にシール部３３をそれぞれ備える。シール部３３には、各単セル１をその積層方向に貫通する水素供給通路３５および水素排出通路３７をそれぞれ備える。この水素供給通路３５は、図１に示す固定エンドプレート９に貫通して取り付けてある水素導入コネクタ３９に連通し、水素排出通路３７は、同水素排出コネクタ４１に連通する。
【００１８】
すなわち、水素導入コネクタ３９からスタック内に導入した水素ガスは、積層した各単セル１の水素供給通路３５を通り、その過程で各単セル１の電気反応部３１に流れ込む。電気反応部３１におけるガス流路形状は、複数の水素ガス流路が並行して蛇行する、いわゆるサーペンタイン状に形成され、この水素ガス流路を通った反応後の余剰の水素ガスは、水素排出通路３７を経て水素排出コネクタ４１からスタック外へ排出される。
【００１９】
シール部３３には、上記した水素供給通路３５および水素排出通路３７のほか、空気供給通路４３，空気排出通路４５，冷却水供給通路４７，冷却水排出通路４９をそれぞれ備える。これらの各通路も、前記した水素供給通路３５および水素排出通路３７と同様に、複数積層した単セル１を貫通し、固定エンドプレート９に、前記した水素導入コネクタ３９および水素排出コネクタ４１と同様にして設けてある図示しないそれぞれの導入コネクタおよび排出コネクタに連通する。
【００２０】
シール部３３は、電気反応部３１の周囲および、上記した各供給通路３５，４３，４７および各排出通路３７，４５，４９の周囲を、それぞれ図示しないシール材によってシールしている。
【００２１】
空気供給通路４３を流れる空気は、単セル１の図２中で紙面の裏側に設けてある、上記した水素ガス流路と同様な形状の空気流路を通り、空気排出通路４５を経て外部に排出される。
【００２２】
図３は、セル列３の外周側の一部を拡大して示しており、単セル１は、中央に電解質膜５１を、その両側にガス拡散層電極５３，５５を備え、そのさらに外側にセパレータ５７を配置している。
【００２３】
電気反応部３１における水素ガス流路および空気流路は、上記したセパレータ５７の単セル１に対向する面に形成する溝によって構成している。
【００２４】
また、前記図２に示してある冷却水供給通路４７を流れる冷却水は、図３に示すように、互いに隣接するセパレータ５７，５７相互の向かい合う面のいずれかに形成してある冷却水流路５７ａを通り、冷却水排出通路４９を経て外部に排出される。
【００２５】
上記した水素ガス流路および空気流路を備える電気反応部３１には、前記図１に示した可動エンドプレート５の内側部１７が対応している。また、電気反応部３１の外側のシール部３３には、可動エンドプレート５の外側部１９が対応している。
【００２６】
上記した構造の燃料電池スタックによれば、電気反応部３１に対応する可動エンドプレート５の内側部１７に対しては、内側スプリング２５が押し付け、電気反応部３１の外側のシール部３３に対応する可動エンドプレート５の外側部１９に対しては、外側スプリング２７が押し付けており、各スプリング２５，２７による押付圧力を調整することで、電気反応部３１およびシール部３３に対する最適な面圧を付加することができる。
【００２７】
すなわち、シール部３３におけるシール性の確保のために、外側スプリング２７による押付力を高く設定しても、内側スプリング２５による押付力を外側スプリング２７による押付力より低く設定することで、電気反応部３１におけるガス拡散層電極５３，５５が面圧力によって潰れることを防止できる。逆に、電気反応部３１に最適な面圧力を、内側スプリング２５により設定しても、外側スプリング２７の押付力を高くすることで、シール部３３でのシール性の低下を防止することができる。
【００２８】
また、反応熱によって電気反応部３１が熱膨張するとしても、その分内側スプリング２５による押付力を低く設定しておくことで、シール部３１に対する押付力を外側スプリング２７によって高く設定したまま、熱膨張に対応した最適な面圧力を、電気反応部３１に付与することができる。
【００２９】
さらに、たとえシール部３３でシールしきれずにセル列３の外部へのガス漏れが発生したとしても、セル列３を可動エンドプレート５とともにシリンダ７内に収容しているので、本燃料電池スタックの外部へのガス漏れは確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態を示す燃料電池スタックの断面図である。
【図２】図１の燃料電池スタックにおける単セルの水素ガス供給側のガス流路形状を示す模式的な平面図である。
【図３】図１の燃料電池スタックにおけるセル列の外周側の一部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１単セル
５可動エンドプレート
７シリンダ
９固定エンドプレート
１３ａスプリングリテーナの凹部（シリンダ内端面）
１７可動エンドプレートの内側部
１９可動エンドプレートの外側部
２５内側スプリング（個別のばね要素）
２７外側スプリング（個別のばね要素）
３１電気反応部
３３シール部

Claims

内側に電気反応部、外側にシール部をそれぞれ備えたプレート状の単セルを複数積層し、この積層した複数の単セルを、積層方向端部に配置したエンドプレートによって押さえ付ける燃料電池スタックにおいて、前記積層した複数の単セルを、前記積層方向の一方の端部に設けたエンドプレートとともにその外周を覆うシリンダ内に納め、前記一方の端部に設けたエンドプレートを、内側部と外側部とに分割してこれらが前記積層方向に沿って移動可能かつ相対移動可能となるよう配置し、前記シリンダ内端面と、前記エンドプレートの内側部および外側部のそれぞれとの間に、個別のばね要素を設けて前記エンドプレートの内側部および外側部を介して前記積層した複数の単セルを押さえ付ける構造としたことを特徴とする燃料電池スタック。
前記エンドプレートの内側部は前記単セルの内側に位置する前記電気反応部を、前記エンドプレートの外側部は前記単セルの外側に位置する前記シール部を、それぞれ押さえ付けることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
前記シリンダ内端面は、前記シリンダの一方の開口端に固定するスプリングリテーナで構成し、前記シリンダの他方の開口端には、前記複数の単セルの積層方向の他方の端部を支持する固定エンドプレートを固定したことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池スタック。